如今我們能更明白地看到冥王星的複雜性，這都要歸功於美國國家航空與航天局（NASA）的太空飛行器「新視野號」。2015年7月14號，新視野號進入矮行星的12,500公裡（7,800英裡）範圍內。飛越新視野號的過程中捕捉描繪了冥王星的大氣及表面情況。
新視野號看到的是一片白雪皚皚的山脈。
在我們的地球上，氣溫隨海拔上升而下降，這是我們的山脈被積雪覆蓋的原因。但在冥王星上溫度的變化恰恰相反，由於太陽輻射，海拔越高溫度也越高。一定海拔高度的大氣層平均氣溫要比表面高几十度。
那又是為什麼會有霜呢？
該地區位於冥王星暗紅色赤道區域以南，其非正式名稱是克蘇魯區（Cthulhu Regio），在廣闊的氮冰平原的西南部，該地區非正式地名是史波尼克高原（Sputnik Planitia）。以上為北；在圖像的西部，一片明亮的山脈向北延伸到克蘇魯區裡。新視野號的成分數據表明，山頂明亮的「雪」並不是水，而是在高海拔凝結成霜的大氣甲烷。
圖片來源：美國國家航空與航天局/約翰·霍普金斯應用物理實驗室/美國西南研究院
由法國國家科學研究中心（CNRS）成員領導的一組研究人員在一項新研究中揭開了這個問題。研究標題是「冥王星赤道山脈被獨特大氣過程所產生的甲烷霜所覆蓋」，主要作者是Tanguy Bertrand，他目前是NASA Ames研究中心的博士後研究員。該研究發表在《自然—通訊》上。
新視野號在冥王星赤道的克蘇魯區中的Pigafetta Montes和Elcano Montes兩座山脈上發現了「雪」。但冥王星的雪不像地球的雪。它是冷凍的甲烷，而不是冷凍的水。但冥王星是一個寒冷世界，在稀薄的大氣層中只有很少的甲烷。那麼山頂上的積雪又是如何形成的呢？
冥王星上出現雪山，成因是何！/冥王星初雪，一起來看吧！
冥王星的地表有著很多不同尋常的地形地貌，它們都有著自己獨特的顏色，這些地形地貌將向我們徐徐講述一個複雜的地理學和氣候學方面的故事。（信息來源: Courtesy NASA / JHUAPL / SwRI Table of Contents page 2015 Annual Report Division: (15)）
在地球上，由於絕熱冷卻的作用，溫度隨著海拔的升高而減小。空氣逐漸向山坡上轉移，它慢慢擴散，導致了冷卻作用。空氣下降時，情況則剛好相反：空氣變得溫暖。當潮溼的空氣上升並足夠冷時，它將被壓縮然後變成雪落下。這一現象在地球上是很好理解的，但是它卻不能解釋冥王星出現的雪。
在地球上，溫度隨著海拔的升高而降低，約每100米降低1℃。冥王星上則是海拔越高越溫暖。但是在那，高海拔區域依舊存在著甲烷形成的霜雪。（信息來源：Tanguy Bertand et al,. 2020）
這支隊伍使用了一個氣候模型去尋找山上落雪的成因。冥王星稀薄的大氣層主要由氮氣組成，並伴有微量的甲烷和二氧化碳。因此，冥王星山頂的雪很難用這些微量的甲烷來解釋。
通過用這種氣候模型，研究者確定，冥王星的大氣力學保證了甲烷始終聚集在較高海拔。而只有在山頂才有足以形成雪的甲烷。在較低海拔，只是沒有足夠的甲烷。
雖然冥王星沒有一個像地球一樣厚且隔離的大氣層，但這顆矮行星由於吸收太陽射線在較高海拔處變得溫暖，因為熱量被大氣層中的甲烷吸收了。這種現象僅僅在最初的海拔幾千米有效。甲烷吸收熱量的過程不會出現在表面有氮冰的地方，因為氮冰可以升華同時冷卻最初的海拔幾千米。
A）新地平線號探測器拍攝的冥王星克魯蘇地區東南部地圖，位於斯普特尼克平原赤道地區的西部。黃色的方塊表示這片區域的邊界，其細節見於（b）。
B）克魯蘇地區（東經148.2°，南緯10.1°）皮加費塔山脈和埃爾卡諾山脈被甲烷冰覆蓋的山脊，通過可見多色成像相機（Ralph/MVIC）拍攝的增強彩色圖像（約6800米/每像素點，圓柱投影法）
C）阿爾卑斯山區被水冰覆蓋的山脈的衛星照片
冥王星的大氣層非常稀薄，無法為這顆行星的表面保溫。因此，當地表上沒有固體氮時，就會存在一種「局部輻射平衡」。這種平衡與海拔高度無關，而比它上方的大氣層溫度還要低。
其結果是，地表附近的空氣被冷卻，密度變得更大，因而始終有向下流動的趨勢。其他研究者所做的氣候模擬表明這種機制時時刻刻存在於整個冥王星上，這表明冥王星完全被下坡風所支配。這就冥王星積雪的形式如此令人費解的原因。它與地球上的情況完全不同，地球上的空氣隨著上升而冷卻，然後將其中的水分以冰雪的形式沉積在山上。
「當以相近的解析度觀看時，兩種截然不同的現象和物質竟能產生相似的景象，這真是太引人注目了。」——摘自論文「冥王星赤道的山上覆蓋著由獨特的大氣活動產生的甲烷冰」
研究團隊發現，冥王星的大氣環流會使得甲烷在更高的海拔處富集。這種環流是季節性的，其動力來自星體表面的升華現象。論文作者們將其稱為「由升華引導的環流圈」。隨著甲烷的濃度越來越高，在達到飽和點後便以降雪的形式落在山脈表面。
這是該團隊在研究過程中所做的模擬的一幅圖像，展現了甲烷的日均混合比。黑線表示表面風，其作用是濃縮甲烷。右邊的條狀示意圖中，紅色代表在更高海拔上更高的甲烷濃度，並在山上形成霜凍。圖源：貝特朗等人，2020年
這當中還有一個反饋循環。隨著甲烷冰雪在山上成型，反射率由此增加，溫度從而變得更低。而溫度越低，甲烷雪也就越多。
研究中的這些圖像顯示了先前圖像中的黃色區域就是堆積的甲烷冰山。棕色區域則是可自由揮發的地表地區，而灰色部分則是一層凍氮冰原如床單般覆蓋在斯普特尼克號平原上。而從藍色到白色區域顯示的是正在逐漸形成的甲烷冰。 右圖與先前模擬的相同，只不過增加了地面反照率的影響。這些圖像均來自研究人員進行的氣候
模擬，其中等高線是300米。圖片來源：2020年，Bert等人提供。
「總的來說，根據我們的模型來看，冥王星上甲烷冰山的形成原理仿佛與地球的山頂上雪山覆蓋的原理完全不同」，該團隊發表了這個觀點在他們的論文上，「但是值得關注的是，當我們用相同的解析度時，兩種完全不同的現象以及材料形成的景觀卻驚人的相似。」
而這只不過是再一次證實了冥王星的複雜性。在「新視野號「飛越過這顆矮行星之前，我們對那邊的地表、大氣、氣候的複雜性是毫無所知的。時至今日，科學家們仍然對那次任務帶回來的所有數據進行孜孜不倦地分析，因此仍有重大發現也未嘗可知。
「新視野號」在飛過冥王星的近地點以後，回頭拍攝了這張將近日落時候的照片，照片上顯示了冰雪山脈以及被冰雪覆蓋的平原。平坦而廣闊的斯普特尼克號平原（右）的西邊（左）正好是海拔高達11000英尺（3500米）的冰雪山脈。有人已經迫不急待地想要發射另外的一次冥王星飛行任務，而這次將用一個軌道飛行器，環繞冥王星運動。圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI。
也有一些關於另外一次任務的說法，「新視野號「只是飛越了這顆冰矮星，因此它帶回來的最佳數據被限制在這顆遙遠的星球上的一側。行星科學家Alan Stern 是新視野號任務的首席研究員，他認為下一步就是對冥王星發射軌道飛行器，我們甚至可以考慮安排一個著陸器在下一次的發射任務中。
作者：EVAN GOUGH
FY：Astronomical volunteer team
如有相關內容侵權，請在作品發布後聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處